Гарантией яркости свечения, эффективности и долговечности LED-источников является правильное питание, которое могут обеспечить специальные электронные устройства - драйверы для светодиодов. Они преобразуют напряжение переменного тока в сети 220В в напряжение постоянного тока заданного значения. Разобраться в том, какую функцию выполняют преобразователи и на что обратить внимание при их выборе, поможет анализ основных видов и характеристик устройств.
Основной функцией драйвера для светодиодов является обеспечение стабилизированного тока, проходящего через LED-прибор. Значение тока, протекающего через кристалл полупроводника, должно соответствовать паспортным параметрам светодиода. Это обеспечит устойчивость свечения кристалла и поможет избежать его преждевременной деградации. Кроме того при заданном токе падение напряжения будет соответствовать величине, необходимой для p-n перехода. Узнать соответствующее напряжение питания светодиода можно воспользовавшись вольт-амперной характеристикой.
При освещении жилых и офисных помещений светодиодными лампами и светильниками применяют драйверы, питание которых обеспечивается от сети переменного тока 220В. В автомобильном освещении (фары, ДХО и пр.), велосипедных фарах, портативных фонарях используют источники питания постоянного напряжения в диапазоне от 9 до 36В. Некоторые светодиоды небольшой мощности можно подключать без драйвера, но тогда в схему включения светодиода в сеть 220 вольт должен быть внесен резистор.
Напряжение драйвера на выходе указывается в интервале двух конечных значений, между которыми обеспечивается стабильное функционирование. Существуют адаптеры с интервалом от 3В до нескольких десятков. Чтобы запитать схему из 3-х последовательно соединенных светодиодов белого цвета, каждый из которых имеет мощность 1 Вт, потребуется драйвер с выходными значениями U – 9-12В, I – 350 мА. Падение напряжения для каждого кристалла составит около 3,3В, а в общей сумме 9,9В, что войдет в диапазон драйвера.
Основные характеристики преобразователей
Перед тем как купить драйвер для светодиодов, следует ознакомиться с основными характеристиками устройств. К ним относят напряжение на выходе, номинальный ток и мощность. Выходное напряжение преобразователя зависит от величины падения напряжения на LED-источнике, а также от способа подключения и количества светодиодов в схеме. Ток находится в зависимости от мощности и яркости излучающих диодов. Драйвер должен обеспечить светодиодам такой ток, который необходим им для поддержки требуемой яркости.
Одной из важных характеристик драйвера считается мощность, которую прибор выдает в виде нагрузки. На выбор мощности драйвера влияет мощность каждого LED-прибора, общее количество и цвет свечения светодиодов. Алгоритм расчета мощности состоит в том, что максимальная мощность устройства не должна быть ниже потребления всех светодиодов:
P = P(led) × n ,
где P(led) – мощность единичного LED-источника, а n - количество светодиодов.
Кроме того должно выполняться обязательное условие, при котором бы обеспечивался запас мощности в пределах 25-30%. Таким образом значение максимальной мощности должно быть не меньше значения (1,3 х P).
Следует также брать во внимание цветовые характеристики светодиодов. Ведь различные по цвету полупроводниковые кристаллы имеют разную величину падения напряжения при прохождении через них тока одинаковой силы. Так падение напряжения у красного светодиода при токе 350 мА составляет 1,9-2,4В, тогда среднее значение его мощности будет равно 0,75 Вт. У аналога зеленого цвета величина падения напряжения находится в пределах от 3,3 до 3,9В и при таком же токе мощность составит уже 1,25 Вт. Значит к драйверу для светодиодов 12В можно подсоединить 16 красных LED-источников или 9 зеленых.
Полезный совет! При выборе драйвера для светодиодов специалисты советуют не пренебрегать максимальным значением мощности прибора.
Какими бывают драйверы для светодиодов по типу устройства
Драйверы для светодиодов классифицируют по типу устройства на линейные и импульсные. Структура и типовая схема драйвера для светодиодов линейного типа представляет собой генератор тока на транзисторе с р-каналом. Такие устройства обеспечивают плавную стабилизацию тока при условии неустойчивого напряжения на входном канале. Они являются простыми и дешевыми устройствами, однако отличаются низкой эффективностью, выделяют при работе много тепла и не могут быть использованы как драйвера для мощных светодиодов.
Импульсные устройства создают в выходном канале ряд высокочастотных импульсов. Их работа основана на принципе ШИМ (широтно-импульсной модуляции), когда средняя величина тока на выходе обуславливается коэффициентом заполнения, т.е. отношением длительности импульса к числу его повторений. Изменение величины среднего выходного тока происходит вследствие того, что частота импульсов остается неизменной, а коэффициент заполнения изменяется от 10-80%.
Благодаря высокому КПД преобразований (до 95%) и компактности устройств, они нашли широкое применение для портативных светодиодных конструкций. Кроме того, эффективность устройств положительно сказывается на длительности функционирования автономных приборов питания. Преобразователи импульсного типа имеют компактные размеры и отличаются обширным диапазоном входных напряжений. Недостатком этих устройств является высокий уровень электромагнитных помех.
Полезный совет! Приобретать LED-драйвер следует на этапе выбора светодиодных источников, предварительно определившись со схемой светодиодов от 220 вольт.
Перед тем как подобрать драйвер для светодиодов, необходимо знать условия его функционирования и место размещения светодиодных приборов. Широтно-импульсные драйверы, в основе которых лежит одна микросхема, имеют миниатюрные размеры и рассчитаны на питание от автономных низковольтных источников. Основное применение этих устройств – тюнинг автомобилей и светодиодная подсветка. Однако ввиду использования упрощенной электронной схемы качество таких преобразователей несколько ниже.
Диммируемые драйверы для светодиодов
Современные драйверы для светодиодов совместимы с устройствами регулирования яркости свечения полупроводниковых приборов. Использование диммируемых драйверов позволяет управлять уровнем освещенности в помещениях: снижать интенсивность свечения в дневное время, подчеркивать или скрывать отдельные элементы в интерьере, зонировать пространство. Это, в свою очередь, дает возможность не только рационально использовать электроэнергию, но и экономить ресурс светодиодного источника света.
Диммируемые драйверы бывают двух типов. Одни подсоединяются между блоком питания и LED-источниками. Такие устройства управляют энергией, поступающей от источника питания к светодиодам. В основе таких устройств используется ШИМ-управление, при котором энергия поступает к нагрузке в виде импульсов. Длительность импульсов определяет количество энергии от минимального до максимального значения. Драйверы такого типа применяются по большей части для светодиодных модулей с фиксированным напряжением, таких как светодиодные ленты, бегущие строки и др.
Управление драйвером осуществляется с помощью или ШИМ
Диммируемые преобразователи второго типа управляют непосредственно источником питания. Принцип их работы заключается как в ШИМ-регулировании, так и в управлении величиной протекающего через светодиоды тока. Диммируемые драйверы этого типа используются для LED-приборов со стабилизированным током. Стоит отметить, что при управлении светодиодами посредством ШИМ-регулирования наблюдаются негативно влияющие на зрение эффекты.
Сравнивая эти два метода регулирования, стоит отметить, что при регулировании величины тока через LED-источники наблюдается не только изменение яркости свечения, но и изменение цвета свечения. Так, белые светодиоды при меньшем токе излучают желтоватый свет, а при увеличении – светятся синим. При управлении светодиодами посредством ШИМ-регулирования наблюдаются негативно влияющие на зрение эффекты и высокий уровень электромагнитных помех. В связи с этим ШИМ-управление используется достаточно редко в отличие от регулирования тока.
Схемы драйверов для светодиодов
Многие производители выпускают для светодиодов микросхемы драйверов, позволяющие запитывать источники от пониженного напряжения. Все существующие драйверы делят на простые, выполненные на базе от 1-3 транзисторов и более сложные с использованием специальных микросхем с широтно-импульсной модуляцией.
Компания ON Semiconductor предлагает в качестве основы для драйверов широкий выбор микросхем. Они отличаются приемлемой стоимостью, отличной эффективностью преобразования, экономичностью и низким уровнем электромагнитных импульсов. Производителем представлен драйвер импульсного типа UC3845 с величиной тока на выходе до 1А. На такой микросхеме можно реализовать схему драйвера для светодиода 10W.
Электронные компоненты HV9910 (Supertex) являются популярной микросхемой для драйверов, благодаря простому схемному разрешению и невысокой цене. Она имеет встроенный регулятор напряжения и выводы для осуществления управления яркостью, а также вывод для программирования частоты переключений. Выходное значение тока составляет до 0,01А. На данной микросхеме возможно воплотить простой драйвер для светодиодов.
На базе микросхемы UCC28810 (пр-во компании Texas Instruments) можно создать схему драйвера для мощных светодиодов. В такой схеме LED-драйвера может создаваться выходное напряжение величиной 70-85В для светодиодных модулей, состоящих из 28 LED-источников током 3 А.
Полезный совет! Если вы планируете купить сверхяркие светодиоды мощностью 10 Вт, для конструкций из них можно использовать импульсный драйвер на микросхеме UCC28810.
Компания Clare предлагает создание простого драйвера импульсного типа на основе микросхемы CPC 9909. Она включает контроллер преобразователя, размещенного в компактном корпусе. За счет встроенного стабилизатора напряжения допускается питание преобразователя от напряжения 8-550В. Микросхема CPC 9909 позволяет эксплуатировать драйвер в условиях широкого разброса температурных режимов от -50 до 80°С.
Как подобрать драйвер для светодиодов
На рынке представлен широкий ассортимент драйверов для светодиодов от разных производителей. Многие из них, особенно китайского производства, отличаются низкой ценой. Однако покупать такие устройства не всегда выгодно, так как большинство из них не соответствует заявленным характеристикам. Кроме того такие драйверы не сопровождаются гарантией, а в случае обнаружения брака их нельзя вернуть или заменить на качественные.
Так существует вероятность приобретения драйвера, заявленная мощность которого составляет 50 W. Однако на деле оказывается, что эта характеристика имеет непостоянный характер и такая мощность является лишь кратковременной. В реальности же такое устройство будет работать как LED-driver 30W или максимум 40W. Так же может оказаться, что в начинке не будет хватать некоторых компонентов, отвечающих за устойчивое функционирование драйвера. Кроме того могут применяться компоненты низкого качества и с небольшим сроком службы, что является по сути браком.
При покупке стоит обращать внимание на указание бренда изделия. На качественном товаре обязательно будет указан изготовитель, который предоставит гарантию и будет готов отвечать за свою продукцию. Следует отметить, что и срок службы драйверов от проверенных производителей будет гораздо больше. Ниже приведено ориентировочное время работы драйверов в зависимости от изготовителя:
- драйвер от сомнительных производителей – не более 20 тыс. часов;
- устройства среднего качества – около 50 тыс. часов;
- преобразователь от проверенной фирмы-изготовителя с использованием качественных компонентов – свыше 70 тыс. часов.
Полезный совет! Какого качества будет светодиодный драйвер – выбирать вам. Однако следует заметить, что особенно важно приобретать фирменный преобразователь, если речь идет о применении его для прожекторов из светодиодов и мощных светильников.
Расчет драйверов для светодиодов
Чтобы определить напряжение на выходе светодиодного драйвера, необходимо рассчитать отношение мощности (Вт) к значению тока (А). К примеру, драйвер имеет следующие характеристики: мощность 3 Вт и ток 0,3 А. Расчетное отношение составляет 10В. Таким образом, это будет максимальная величина выходного напряжения данного преобразователя.
Статья по теме:
Типы. Схемы подключения LED-источников. Расчет сопротивления для светодиодов. Проверка светодиода мультиметром. LED-конструкции своими руками.
Если необходимо подключить 3 LED-источника, ток каждого из которых составляет 0,3 мА при напряжении питания 3В. Подключая к светодиодному драйверу один из приборов, то выходное напряжение будет равно 3В и ток 0,3 А. Собрав последовательно два LED-источника, выходное напряжение будет равно 6В и ток 0,3 А. Добавив в последовательную цепочку третий светодиод, получим 9В и 0,3 А. При параллельном соединении 0,3 А одинаково распределятся между светодиодами по 0,1 А. Подключая светодиоды к устройству на 0,3 А при значении тока 0,7, им достанется всего 0,3 А.
Таков алгоритм функционирования светодиодных драйверов. Они выдают такое количество тока, на которое они рассчитаны. Способ подключения LED-приборов в этом случае не играет роли. Есть модели драйверов, предполагающие любое количество подключаемых к ним светодиодов. Но тогда существует ограничение по мощности LED-источников: она не должна превышать мощность самого драйвера. Выпускаются драйверы, рассчитанные на определенное число подключаемых светодиодов К ним разрешается подключить меньшее количество светодиодов. Но такие драйверы имеют низкую эффективность, в отличие от устройств, рассчитанных на конкретное количество LED-приборов.
Следует отметить, что у драйверов, рассчитанных на фиксированное количество излучающих диодов, предусмотрена защита от аварийных ситуаций. Такие преобразователи некорректно работают, если к ним подключить меньшее число светодиодов: они будут мерцать или вообще не будут светиться. Таким образом, если подключить к драйверу напряжение без соответствующей нагрузки, он будет работать нестабильно.
Где купить драйверы для светодиодов
Купить LED-driver можно в специализированных точках по продаже радиодеталей. Кроме того гораздо удобней ознакомиться с продукцией и заказать необходимое изделие, используя каталоги соответствующих сайтов. Помимо этого в интернет-магазинах можно приобрести не только преобразователи, а также приборы светодиодного освещения и сопутствующую продукцию: , устройства управления, средства подключения, электронные компоненты для ремонта и сборки драйвера для светодиодов своими руками.
Реализующими компаниями представлен огромный ассортимент драйверов для светодиодов, технические характеристики и цены которых можно увидеть в прайсах. Как правило цены на продукцию носят ориентировочный характер и уточняются при заказе у менеджера проекта. В ассортименте имеются преобразователи различной мощности и степени защиты, применяемые для наружного и внутреннего освещения, а также для подсветки и тюнинга автомобилей.
Выбирая драйвер следует учитывать условия его использования и потребляемую мощность светодиодной конструкции. Поэтому приобретать драйвер необходимо перед покупкой светодиодов. Так, прежде чем купить драйвер для светодиодов 12 вольт, необходимо принять во внимание, что он должен иметь запас мощности около 25-30%. Это нужно для того, чтобы уменьшить риск повреждения или полного выхода из строя прибора при коротком замыкании или перепадах напряжения в сети. Стоимость преобразователя зависит от количества приобретаемых устройств, формы оплаты и сроков доставки.
В таблице приведены основные параметры и размеры стабилизаторов напряжения 12 вольт для светодиодов с указанием их ориентировочной цены:
| Модификация LD DC/AC 12 V | Габариты, мм (в/ш/г) | Выходной ток, A | Мощность, W | Цена, руб. |
| 1x1W 3-4VDC 0.3A MR11 | 8/25/12 | 0,3 | 1х1 | 73 |
| 3x1W 9-12VDC 0.3A MR11 | 8/25/12 | 0,3 | 3х1 | 114 |
| 3x1W 9-12VDC 0.3A MR16 | 12/28/18 | 0,3 | 3х1 | 35 |
| 5-7x1W 15-24VDC 0.3A | 12/14/14 | 0,3 | 5-7х1 | 80 |
| 10W 21-40V 0.3A AR111 | 21/30 | 0,3 | 10 | 338 |
| 12W 21-40V 0.3A AR11 | 18/30/22 | 0,3 | 12 | 321 |
| 3x2W 9-12VDC 0.4A MR16 | 12/28/18 | 0,4 | 3х2 | 18 |
| 3x2W 9-12VDC 0.45A | 12/14/14 | 0,45 | 3х2 | 54 |
Изготовление драйверов для светодиодов своими руками
Используя готовые микросхемы, радиолюбители могут самостоятельно собирать драйверы для светодиодов различной мощности. Для этого необходимо уметь читать электрические схемы и иметь навыки работы с паяльником. Для примера можно рассмотреть несколько вариантов LED-драйверов своими руками для светодиодов.
Схему драйвера для светодиода 3W можно реализовать на основе микросхемы PT4115 китайского производства PowTech. Микросхема может быть применена для питания LED-приборов свыше 1W и включает в себя блоки управления, которые имеют на выходе достаточно мощный транзистор. Драйвер на базе PT4115 обладает высокой эффективностью и имеет минимальное количество компонентов обвязки.
Обзор PT4115 и технические параметры ее компонентов:
- функция управление яркостью свечения (диммирование);
- входное напряжение – 6-30В;
- значение выходного тока – 1,2 А;
- отклонение стабилизации тока до 5%;
- предохранение от разрывов нагрузки;
- наличие выводов для диммирования;
- эффективность – до 97%.
Микросхема имеет следующие выводы:
- для выходного переключателя – SW;
- для сигнального и питающего участка схемы – GND;
- для регулирования яркости – DIM;
- входной датчик тока – CSN;
- напряжение питания – VIN;
Схема драйвера для светодиодов своими руками на базе PT4115
Схемы драйвера для питания LED-приборов рассеивающей мощностью 3 Вт могут быть исполнены в двух вариантах. Первый предполагает наличие источника питания напряжением от 6 до 30В. В другой схеме предусмотрено питание от источника переменного тока напряжением от 12 до 18В. В этом случае в схему введен диодный мост, на выходе которого устанавливается конденсатор. Он способствует сглаживанию колебаний напряжения, емкость его составляет 1000 мкФ.
Для первой и второй схемы особое значение имеет конденсатор (CIN): этот компонент призван уменьшить пульсацию и компенсировать накопленную катушкой индуктивности энергию при закрытии MOP-транзистора. В отсутствие конденсатора вся энергия индуктивности через полупроводниковый диод ДШБ (D) попадет на вывод напряжения питания (VIN) и станет причиной пробоя микросхемы относительно питания.
Полезный совет! Следует обязательно учитывать, что подключение драйвера для светодиодов в отсутствие входного конденсатора не разрешается.
Учитывая количество и то, сколько потребляют светодиоды, рассчитывается индуктивность (L). В схеме светодиодного драйвера следует подбирать индуктивность, величина которой 68-220 мкГн. Об этом свидетельствуют данные технической документации. Можно допустить небольшое увеличение значения L, однако следует учесть, что тогда снизится КПД схемы в целом.
Как только подается напряжение, величина тока при прохождении его через резистор RS (работает как датчик тока) и L будет нулевая. Далее, CS comparator анализирует уровни потенциалов, находящихся до резистора и после него – в результате появляется высокая концентрация на выходе. Ток, идущий в нагрузку, нарастает до определенного значения, контролируемого RS. Ток увеличивается в зависимости от значения индуктивности и от величины напряжения.
Сборка компонентов драйвера
Компоненты обвязки микросхемы РТ 4115 подбираются с учетом указаний производителя. Для CIN следует применять низкоимпедансный конденсатор (конденсатор с низким ESR), так как применение других аналогов негативно скажется на эффективности драйвера. Если устройство будет запитано от блока со стабилизированным током, на входе понадобится один конденсатор емкостью от 4,7 мкФ. Его рекомендуется разместить рядом с микросхемой. Если ток переменный, потребуется ввести твердотельный танталовый конденсатор, емкость которого не ниже 100 мкФ.
В схему включения для светодиодов 3 Вт необходимо установить катушку индуктивности на 68 мкГн. Она должна располагаться как можно ближе к выводу SW. Можно сделать катушку самостоятельно. Для этого потребуется кольцо из вышедшего из строя компьютера и обмоточный провод (ПЭЛ-0,35). В качестве диода D можно использовать диод FR 103. Его параметры: емкость 15 пФ, время восстановления 150 нс, температура от -65 до 150°С. Он может справиться с импульсами тока до 30 А.
Минимальная величина резистора RS в схеме светодиодного драйвера составляет 0,082 Ом, ток – 1,2 А. Чтобы рассчитать резистор, необходимо использовать значение тока, необходимого для светодиода. Ниже приведена формула для расчета:
RS = 0,1 / I ,
где I – номинальная величина тока LED-источника.
Величина RS в схеме светодиодного драйвера составляет 0,13 Ом, соответственно значение тока – 780 мА. Если такой резистор не удается отыскать, можно использовать несколько низкоомных компонентов, используя при расчете формулу сопротивления для параллельного и последовательного включения.
Компоновка драйвера для светодиода 10 Ватт своими руками
Собрать драйвер для мощного светодиода можно самостоятельно, используя электронные платы от вышедших из строя люминесцентных ламп. Чаще всего в таких светильниках перегорают лампы. Электронная плата остается рабочей, что позволяет использовать ее компоненты для самодельных блоков питания, драйверов и других устройств. Для работы могут понадобиться транзисторы, конденсаторы, диоды, катушки индуктивности (дроссели).
Неисправную лампу необходимо аккуратно разобрать с помощью отвертки. Чтобы сделать драйвер для светодиода 10 Вт, следует воспользоваться люминесцентной лампой, мощность которой 20 Вт. Это необходимо для того, чтобы дроссель мог с запасом выдержать нагрузку. Для более мощной лампы следует либо подбирать соответствующую плату, либо заменить сам дроссель на аналог с большим сердечником. Для LED-источников с меньшей мощностью можно отрегулировать число витков обмотки.
Далее поверх первичных витков обмотки необходимо сделать 20 витков провода и с помощью паяльника соединить эту обмотку с выпрямительным диодным мостом. После этого следует подать напряжение от сети 220В и измерить выходное напряжение на выпрямителе. Его значение составило 9,7В. LED-источник через амперметр потребляет 0,83 А. Номинал этого светодиода 900 мА, однако чтобы заниженное потребление тока позволит увеличить его ресурс. Сборка диодного моста осуществляется путем навесного монтажа.
Новую плату и диодный мост можно разместить в подставке от старого настольного светильника. Таким образом, светодиодный драйвер можно собрать самостоятельно из имеющихся в наличии радиодеталей от вышедших из строя устройств.
В силу того что светодиоды достаточно требовательны к источникам питания, необходимо правильно подбирать к ним драйвер. Если преобразователь выбран правильно, можно быть уверенным, что параметры LED-источников не ухудшатся и светодиоды прослужат положенный им срок.
Светодиодные светильники получили массовое распространение, вследствие чего началось активное производство вторичных источников питания. Драйвер светодиодной лампы способен стабильно поддерживать заданные значения тока на выходе устройства, стабилизируя напряжение, проходящее через цепочку диодов.
Мы расскажем все о видах и принципах действия устройства преобразования тока для работы диодной лампочки. В предложенной нами статье приведены ориентиры выбора драйвера, даны полезные рекомендации. Самостоятельный домашние электрики у нас найдут проверенные на практике схемы подключения.
Диодные кристаллы состоят из двух полупроводников – анода (плюс) и катода (минус), которые и отвечают за трансформацию электросигналов. Одна область имеет проводимость P-вида, вторая – N. При подключении источника питания через эти элементы потечет ток.
За счет такой полярности электроны из зоны P-типа устремляются в зону N-типа, и наоборот, заряды из точки N устремятся к Р. Однако каждый раздел области имеет свои границы, называющиеся P-N переходами. На этих участках частицы встречаются и взаимопоглощаются или рекомбинируются.
Диод относится к полупроводниковым элементам и обладает только одним p-n переходом. По этой причине, главной характеристикой, определяющей степень яркости их свечения, является не напряжение, а ток
Во время P-N переходов напряжение снижается на определенное количество вольт, всегда одинаковое для каждого элемента цепи. Учитывая эти значения, драйвер стабилизирует показатели входящего тока и образует на выходе постоянную величину.
Какая требуется мощность и какие значения потерь при P-N прохождении указываются в паспорте светодиодного прибора. Поэтому при необходимо учитывать параметры блока питания, диапазон которых должен быть достаточным для компенсации утраченной энергии.
Для того, чтобы мощные светодиоды отработали указанное в характеристиках время, требуется стабилизирующее устройство – драйвер. На корпусе электронного механизма всегда показано его выходное напряжение
Блоки питания с напряжением от 10 до 36 В применяются для оснащения осветительных приборов.
Техника может быть самых различных видов:
- фары автомобилей, велосипедов, мотоциклов и т. д.;
- небольшие переносные или уличные фонари;
- , ленты, и модули.
Однако для , а также в случае использования постоянного напряжения, драйверы допустимо не применять. Вместо них в схему вносится резистор, также питающийся от сети 220 В.
Принцип работы блока питания
Разберемся, в чем же состоят различия между источником напряжения и блоком питания. В качестве примера рассмотрим схему, изображенную ниже.
Подключив к источнику питания 12 В резистор на 40 Ом, через него будет проходить ток в 300 мА (рисунок А). При параллельном включении в цепь второго резистора значение тока составит – 600 мА (Б). Однако напряжение будет неизменным.
Несмотря на подключение двух резисторов к источнику питания, второй на выходе будет создавать неизменное напряжение, т. к. при идеальных условиях не подчиняется нагрузке
Теперь рассмотрим, как изменятся значения, если в схеме будут подключены резисторы к блоку питания. Аналогичным образом вводим реостат 40 Ом с драйвером 300 мА. Последний создает на нем напряжение в 12 В (схема В).
Если же цепь составлена из двух резисторов, то величина тока неизменна, а напряжение составит 6 В (Г).
Драйвер в отличие от источника напряжения поддерживает на выходе заданные параметры тока, однако мощность напряжения может меняться
Делая выводы, можно сказать, что качественный преобразователь поставляет нагрузке номинальный ток даже при падении напряжения. Соответственно, кристаллы диодов на 2 В или на 3 В и током на 300 мА будут гореть одинаково ярко со сниженным напряжением.
Отличительные характеристики преобразователя
Один из важнейших показателей – передаваемая мощность под нагрузкой. Устройство нельзя перегружать и пытаться получить максимально возможные результаты.
Неправильное использование способствует быстрому выходу из строя не только обзорного механизма, но и LED чипов.
К главным факторам, влияющим на работу, относятся:
- составляющие элементы, используемые в процессе сборки;
- степень защиты (IP);
- минимальные и максимальные значения на входе и выходе;
- производитель.
Современные модели преобразователей выпускаются на базе микросхем и применяют технологию широтно-импульсных преобразований (ШИМ).
В процессе работы блока питания для регулирования величины выходящего напряжения внедрен метод широтно-импульсной модуляции, при этом на выходе сохраняется аналогичный род тока, что и на входе
Такие устройства отличаются высокой степенью защиты от коротких замыканий, перегрузок сети, а также обладают повышенным КПД.
Правила подбора преобразователя тока
Для приобретения преобразователя LED лампы следует изучить ключевые . Опираться стоит на выходное напряжение, номинальный ток и выдаваемую мощность.
Мощность световых диодов
Разберем изначально выходное напряжение, которое подчинено нескольким фактором:
- значение потерь напряжения на P-N переходах кристаллов;
- количество световых диодов в цепочке;
- схема подключения.
Параметры номинального тока можно определить по характерным особенностям потребителя, а именно мощности LED элементов и степени их яркости.
Этот показатель будет влиять на потребляемый кристаллами ток, диапазон которого варьируется исходя из необходимой яркости. Задача преобразователя - обеспечить этим элементам подачу нужного количества энергии.
Значение напряжения на выходе должно быть больше или идентичным общей сумме затраченной энергии на каждом блоке электросхемы
Мощность устройства зависит от силы каждого LED элемента, их цвета и количества.
Для просчета потребляемой энергии используют такую формулу:
P H = P LED * N ,
Полученные показатели не должны быть меньше мощности драйвера. Теперь необходимо определить требуемое номинальное значение.
Максимальная мощность прибора
Следует учитывать и тот факт, что для обеспечения стабильной работы преобразователя его номинальные показатели должны превышать на 20-30 % полученное значение P H .
Таким образом формула приобретает вид:
P max ≥ (1,2..1,3) * P H ,
где P max - номинальная мощность блока питания.
Помимо мощности и количества потребителей на плате, сила нагрузки также подчинена цветовым факторам потребителя. При одинаковом токе, в зависимости от оттенка, они имеют разные показатели падения напряжения.
Драйвер для LED лампы должен выдавать такое количество тока, которое необходимо для обеспечения максимальной яркости. При подборе устройства покупатель должен помнить о том, что мощность должна быть больше, чем используют все светодиоды
Возьмем для примера, светодиоды американской фирмы Cree из линейки XP-E в красном цвете.
Их характеристики выглядят следующим образом:
- падение напряжения 1,9-2,4 В;
- ток 350 мА;
- средняя мощность потребления 750 мВт.
Аналог зеленого цвета при том же токе, будет иметь совсем другие показатели: потери на P-N переходах 3,3-3,9 В, а мощность 1,25 Вт.
Соответственно можно сделать выводы: драйвер, рассчитанный на 10 Вт, применяется для питания двенадцати красных кристаллов или восьми зеленых.
Схема подключения светодиодов
Выбор драйвера должен осуществляться после определения схемы подключения LED-потребителей. Если в первую очередь приобрести световые диоды, а затем подбирать к ним преобразователь, этот процесс будет сопровождаться массой сложностей.
Для поиска устройства, обеспечивающего работу именно такого количества потребителей при заданной схеме подключения, придется потратить немало времени.
Приведем пример с шестью потребителями. Потери напряжения у них составляют 3 В, потребляемый ток 300 мА. Для их подключения можно использовать один из методов, при этом в каждом отдельном случае требуемые параметры блока питания будут отличаться.
Недостатком поочередного расположения диодов является потребность в блоке питании с большим напряжением, если в цепи будет много кристаллов
В нашем случае при последовательном подключении необходим блок на 18 В с током 300 мА. Основной плюс такого способа в том, что через всю линию проходит одинаковая сила, соответственно, все диоды горят с идентичной яркостью.
Минусом параллельного размещения потребителей является разность яркости свечения каждой цепочки. Такое негативное явление возникает из-за разброса параметров диодов вследствие различий между током, проходящим по каждой линии
Если применено параллельное размещение – достаточно использовать преобразователь на 9 В, однако значения затрачиваемого тока будет увеличено вдвое, в сравнении с предыдущим методом.
Метод последовательного расположения по два диода не может быть применен с заменой количества входящих в группу кристаллов – 3 и больше. Такие ограничения связаны с тем, что через один элемент может пройти слишком большой ток, а это создает вероятность выхода из строя всей цепи
Если используется последовательный метод с формированием пар по два светодиода, используется драйвер с аналогичными показателями, как в предыдущем случае. При этом яркость освещения будет уже равномерной.
Однако и здесь не обошлось без отрицательных нюансов: при подаче питания к группе, вследствие разброса характеристик один из светодиодов может открываться быстрее второго, соответственно, через него и пойдет ток, вдвойне превышающий номинальное значение.
Многие виды рассчитаны на подобные краткосрочные скачки, но такой метод относится к менее востребованным.
Виды драйверов по типу устройства
Приспособления, преобразующие питание 220 В на необходимые показатели для светодиодов, условно делятся на три категории: электронные; на базе конденсаторов; диммируемые.
Рынок светотехнических аксессуаров представлен обширным разнообразием моделей драйверов в основном китайского производителя. И несмотря на низкий ценовой диапазон, из этих приборов можно выбрать вполне достойный вариант. Однако стоит обращать внимание на гарантийный талон, т.к. не вся представленная продукция имеет приемлемое качество.
Электронный вид прибора
В идеальном варианте электронный преобразователь должен быть оснащен транзистором. Его роль состоит в осуществлении разгрузки регулировочной микросхемы. Для исключения или максимального сглаживания пульсации, на выходе монтируется конденсатор.
Такого типа устройство относится к дорогостоящей категории, однако оно способно стабилизировать ток до 750 мА, на что балластные механизмы неспособны.
Самые новые драйвера, в основном устанавливают на лампочки с цоколем E27. Исключение из правил – изделия Gauss GU5,3. Они оснащены безтрансформаторным преобразователем. Однако степень пульсации в них достигает нескольких сотен Гц
Пульсирование – это не единственный недостаток преобразователей. Вторым можно назвать электромагнитные помехи высокочастотного (ВЧ) диапазона. Так, если в розетку, связанную со светильником, будут подключаться другие электроприборы, например, радио - можно ожидать помехи при приеме цифровых FM-частот, телевидения, роутера и т. д.
В опциональном устройстве качественного прибора должны быть два конденсатора: один – электролитический для сглаживания пульсаций, другой – керамический, для понижения ВЧ. Однако такое сочетание можно встретить нечасто, особенно если говорить о китайских изделиях.
Те, кто имеет общие понятия в подобных электросхемах, могут самостоятельно подбирать выходные параметры электронного преобразователя, изменяя номинал резисторов
За счет высокого КПД (до 95%) такие механизмы подходят для мощных приборов, используемых в различных сферах, например, для тюнинга автомобилей, в уличных осветительных приборах, а также бытовых LED источниках.
Блок питания на основе конденсаторов
Теперь переходим к не столь популярным устройствам – на базе конденсаторов. Практически все схемы светодиодных ламп дешевого образца, где применены такого типа драйверы, имеют схожие характеристики.
Однако вследствие модификаций производителем они претерпевают изменения, например, удаление какого-либо элемента цепи. Особо часто этой деталью служит один из конденсаторов - сглаживающий.
Вследствие бесконтрольного заполнения рынка дешевым и некачественным товаром пользователи могут «ощущать» в лампах стопроцентную пульсацию. Даже не углубляясь в их устройство, можно утверждать об удалении из схемы сглаживающего элемента
Плюсов у таких механизмов всего два: они доступны для самостоятельной сборки, а их КПД приравнивается к стопроцентному, т. к. потери будут только на p-n переходах и сопротивлениях.
Такое же количество и отрицательных сторон: низкая электробезопасность и высокая степень пульсации. Второй недостаток составляет около 100 Гц и образуется в результате выпрямления переменного напряжения. В ГОСТе прописана норма допустимой пульсации в 10-20 % в зависимости от предназначения помещения, где установлен светотехнический прибор.
Единственный способ сгладить этот недостаток – подбор конденсатора с правильным номиналом. Тем не менее не стоит рассчитывать на полное устранение проблемы, – такое решение может всего лишь сгладить интенсивность всплесков.
Диммируемые преобразователи тока
Драйверы-светорегуляторы для позволяют менять входящие и выходящие показатели тока, при этом снижается или увеличивается степень яркости света, излучаемого диодами.
Существует два метода подключения:
- первый предполагает плавный пуск;
- второй – импульсный.
Рассмотри принцип работы диммируемых драйверов на основе микросхемы CPC9909, используемой в качестве регулирующего аппарата для светодиодных цепей, в том числе и с высокой яркостью.
Схема стандартного включения CPC9909 с питанием 220 В. Согласно схематическим указаниям, есть возможность управления одним или несколькими мощными потребителями
При плавном пуске микросхема с драйвером обеспечивает постепенное включение диодов с нарастающей яркостью. Для этого процесса задействуют два резистора, подключенные к выводу LD, предназначенного для выполнения задачи плавного диммирования. Так реализуется важная задача – продление срока эксплуатации LED элементов.
Этот же вывод обеспечивает и аналоговое регулирование - резистор на 2,2 кОм меняют на более мощный переменный аналог - 5,1 кОм. Таким образом достигается плавное изменение потенциала на выходе.
Применение второго способа предполагает подачу импульсов прямоугольного типа на низкочастотный вывод PWMD. При этом задействуют либо микроконтроллер, либо импульсный генератор, которые обязательно разделяются оптопарой.
С корпусом или без него?
Драйвера выпускаются в корпусе или без. Первый вариант является самым распространенным и более дорогим. Такие устройства защищены от попадания влаги и частиц пыли.
Приспособления второго типа применяются при проведении скрытого монтажа и, соответственно, отличаются дешевизной.
Питание всех представленных приборов может быть от сети 12 В или 220 В. Несмотря на то, что бескорпусные модели выигрывают в цене, они существенно отстают в плане безопасности и надежности механизма
Каждый из них отличается допустимой температурой в процессе эксплуатации – на это также необходимо обращать внимание при подборе.
Классическая схема драйвера
Для самостоятельной сборки LED блока питания разберемся с наиболее простым устройством импульсного типа, не имеющего гальванической развязки. Главное преимущество такого рода схем – простое подключение и надежная работа.
Схема такого механизма составлена из трех основных каскадных областей:
- Разделитель напряжения на емкостном сопротивлении.
- Выпрямитель.
- Стабилизаторы напряжения.
Первый участок – противодействие, оказываемое переменному току на конденсаторе С1 с резистором. Последний требуется исключительно для осуществления самостоятельной зарядки инертного элемента. На работу схемы он не оказывает влияния.
Когда образованная полуволна напряжения проходит через конденсатор, ток протекает до тех пор, пока обкладки полностью не зарядятся. Чем меньше емкость механизма, тем меньше времени будет затрачено на его полный заряд.
Например, прибор объемом 0,3-0,4 мкФ заряжается в течение 1/10 периода полуволны, т. е. всего десятая доля проходящего напряжения пройдет через этот участок.
Процесс выпрямления на этом участке выполняется по схеме Гретца. Диодный мост подбирается, отталкиваясь от номинального тока и обратного напряжения. При этом последнее значение не должно быть меньше 600 В
Второй каскад является электрическим устройством, преобразующим (выпрямляющим) переменный ток в пульсирующий. Такой процесс называется двухполупериодным. Поскольку одна часть полуволны была сглажена конденсатором, на выходе этого участка постоянный ток будет равен 20-25 В.
Так как питание светодиодов не должно превышать 12 В, для схемы необходимо использовать стабилизирующий элемент. Для этого вводится емкостный фильтр. Например, можно применять модель L7812
Третий каскад работает на базе сглаживающего стабилизирующего фильтра – электролитического конденсатора. Выбор его емкостных параметров зависит от силы нагрузки.
Поскольку собранная схема воспроизводит свою работу сразу, нельзя касаться оголенных проводов, т. к. проводимый ток достигает десятков ампер – предварительно проводится изоляция линий.
Выводы и полезное видео по теме
Все сложности, с которыми может столкнуться радиолюбитель, подбирающий преобразователь для мощных LED ламп, подробно описаны в видеосюжете:
Ключевые особенности самостоятельного подключения преобразовательного прибора в электросхему:
Поэтапный инструктаж, описывающий процесс сборки своими руками светодиодного драйвера из подручных средств:
Несмотря на заявленные производителем десятки тысяч часов бесперебойной работы светодиодных ламп, есть множество факторов, существенно снижающих эти показатели.
Для сглаживания всех прыжков тока в электросистеме предназначены драйверы. К их выбору или самостоятельной сборке нужно подходить ответственно после просчета всех необходимых параметров.
Расскажите о том, как подбирали драйвер для работы светодиодной лампочки. Поделитесь своими аргументами и способами стабилизации поставки напряжения диодному прибору освещения. Оставляйте комментарии в находящемся ниже блоке, задавайте вопросы, размещайте фотоснимки по теме статьи.
Рассмотрим способы включения лед диодов средней мощности к наиболее популярным номиналам 5В, 12 вольт, 220В. Затем их можно использовать при изготовлении цветомузыкальных устройств, индикаторов уровня сигнала, плавное включение и выключение. Давно собираюсь сделать плавный искусственный рассвет, чтобы соблюдать распорядок дня. К тому же эмуляция рассвета позволяет просыпаться гораздо лучше и легче.
Драйвера с питанием от 5В до 30В
Если у вас есть подходящий источник питания от какой либо бытовой техники, то для включения лучше использовать низковольтный драйвер. Они бывают повышающие и понижающие. Повышающий даже из 1,5В сделает 5В, чтобы светодиодная цепь работала. Понижающий из 10В-30В сделает более низкое, например 15В.
В большом ассортименте они продаются у китайцев, низковольтный драйвер отличается двумя регуляторами от простого стабилизатора Вольт.
Реальная мощность такого стабилизатора будет ниже, чем указал китаец. У параметрах модуля пишут характеристику микросхемы и не всей конструкции. Если стоит большой радиатор, то такой модуль потянет 70% — 80% от обещанного. Если радиатора нет, то 25% — 35%.
Особенно популярны модели на LM2596, которые уже прилично устарели из-за низкого КПД. Еще они сильно греются, поэтому без системы охлаждения не держат более 1 Ампера.
Более эффективны XL4015, XL4005, КПД гораздо выше. Без радиатора охлаждения выдерживают до 2,5А. Есть совсем миниатюрные модели на MP1584 размером 22мм на 17мм.
Включение 1 диода
Чаще всего используются 12 вольт, 220 вольт и 5В. Таким образом делается маломощная светодиодная подсветка настенных выключателей на 220В. В заводских стандартных выключателях чаще всего ставится неоновая лампа.
Параллельное подключение
При параллельном соединении желательно на каждую последовательную цепь диодов использовать отдельный резистор, чтобы получить максимальную надежность. Другой вариант, это ставить одно мощное сопротивление на несколько LED. Но при выходе одного LED из строя увеличится ток на других оставшихся. На целых будет выше номинального или заданного, что значительно сократит ресурс и увеличит нагрев.
Рациональность применений каждого способа рассчитывают исходя из требований к изделию.
Последовательное подключение
Последовательное подключение при питании от 220в используют в филаментных диодах и светодиодных лентах на 220 вольт. В длинной цепочке из 60-70 LED на каждом падает 3В, что и позволяет подсоединять напрямую к высокому напряжению. Дополнительно используется только выпрямитель тока, для получения плюса и минуса.
Такое соединение применяют в любой светотехнике:
- светодиодные лампах для дома;
- led светильники;
- новогодние гирлянды на 220В;
- светодиодные ленты на 220.
В лампах для дома обычно используется до 20 LED включенных последовательно, напряжение на них получается около 60В. Максимальное количество используется в китайских лампочках кукурузах, от 30 до 120 штук LED. Кукурузы не имеют защитной колбы, поэтому электрические контакты на которых до 180В полностью открыты.
Соблюдайте осторожность, если видите длинную последовательную цепочку, к тому же на них не всегда есть заземление. Мой сосед схватил кукурузу голыми руками и потом рассказывал увлекательные стихи из нехороших слов.
Подключение RGB LED
Маломощные трёхцветные RGB светодиоды состоят из трёх независимых кристаллов, находящихся в одном корпусе. Если 3 кристалла (красный, зеленый, синий) включить одновременно, то получим белый свет.
Управление каждым цветом происходит независимо от других при помощи RGB контроллера. В блоке управления есть готовые программы и ручные режимы.
Включение COB диодов
Схемы подключения такие же, как у однокристальных и трехцветных светодиодов SMD5050, SMD 5630, SMD 5730. Единственное отличие, вместо 1 диода включена последовательная цепь из нескольких кристаллов.
Мощные светодиодные матрицы имеют в своём составе множество кристаллов включенных последовательно и параллельно. Поэтому питание требуется от 9 до 40 вольт, зависит от мощности.
Подключение SMD5050 на 3 кристалла
От обычных диодов SMD5050 отличается тем, что состоит из 3 кристаллов белого света, поэтому имеет 6 ножек. То есть он равен трём SMD2835, сделанным на этих же кристаллах.
При параллельном включении с использованием одного резистора надежность будет ниже. Если один их кристаллов выходит из строя, то увеличивается сила тока через оставшиеся 2. Это приводит к ускоренному выгоранию оставшихся.
При использовании отдельного сопротивления для каждого кристалла, выше указанный недостаток устраняется. Но при этом в 3 раза возрастает количество используемых резисторов и схема подключения светодиода становится сложней. Поэтому оно не используется в светодиодных лентах и лампах.
Светодиодная лента 12В SMD5630
Наглядным примером подключения светодиода к 12 вольтам является светодиодная лента. Она состоит из секций по 3 диода и 1 резистора, включенных последовательно. Поэтому разрезать её можно только в указанных местах между этими секциями.
Светодиодная лента RGB 12В SMD5050
В RGB ленте используется три цвета, каждый управляется отдельно, для каждого цвета ставится резистор. Разрезать можно только по указанному месту, чтобы в каждой секции было по 3 SMD5050 и она могла подключатся к 12 вольт.
Светодиоды для своего питания требуют применения устройств, которые будут стабилизировать ток, проходящий через них. В случае индикаторных и других маломощных светодиодов можно обойтись резисторами. Их несложный расчет можно еще упростить, воспользовавшись "Калькулятором светодиодов" .
Для использования мощных светодиодов не обойтись без использования токостабилизирующих устройств – драйверов. Правильные драйвера имеют очень высокий КПД - до 90-95%. Кроме того, они обеспечивают стабильный ток и при изменении напряжения источника питания. А это может быть актуально, если светодиод питается, например, от аккумуляторов. Самые простые ограничители тока - резисторы - обеспечить это не могут по своей природе.
Немного ознакомиться с теорией линейных и импульсных стабилизаторов тока можно в статье "Драйвера для светодиодов" .
Готовый драйвер, конечно, можно купить. Но гораздо интереснее сделать его своими руками. Для этого потребуются базовые навыки чтения электрических схем и владения паяльником. Рассмотрим несколько простых схем самодельных драйверов для мощных светодиодов.
Простой драйвер. Собран на макетке, питает могучий Cree MT-G2
Очень простая схема линейного драйвера для светодиода. Q1 – N-канальный полевой транзистор достаточной мощности. Подойдет, например, IRFZ48 или IRF530. Q2 – биполярный npn-транзистор. Я использовал 2N3004, можно взять любой похожий. Резистор R2 – резистор мощностью 0.5-2Вт, который будет определять силу тока драйвера. Сопротивление R2 2.2Ом обеспечивает ток в 200-300мА. Входное напряжение не должно быть очень большим – желательно не превышать 12-15В. Драйвер линейный, поэтому КПД драйвера будет определяться отношением V LED / V IN , где V LED – падение напряжения на светодиоде, а V IN – входное напряжение. Чем больше будет разница между входным напряжением и падением на светодиоде и чем больше будет ток драйвера, тем сильнее будет греться транзистор Q1 и резистор R2. Тем не менее, V IN должно быть больше V LED на, как минимум, 1-2В.
Для тестов я собрал схему на макетной плате и запитал мощный светодиод CREE MT-G2 . Напряжение источника питания - 9В, падение напряжения на светодиоде - 6В. Драйвер заработал сразу. И даже с таким небольшим током (240мА) мосфет рассеивает 0,24 * 3 = 0,72 Вт тепла, что совсем не мало.
Схема очень проста и даже в готовом устройстве может быть собрана навесным монтажом.
Схема следующего самодельного драйвера также предельно проста. Она предполагает использование микросхемы понижающего преобразователя напряжения LM317. Данная микросхема может быть использована как стабилизатор тока.
Еще более простой драйвер на микросхеме LM317
Входное напряжение может быть до 37В, оно должно быть как минимум на 3В выше падения напряжения на светодиоде. Сопротивление резистора R1 рассчитывается по формуле R1 = 1.2 / I, где I – требуемая сила тока. Ток не должен превышать 1.5А. Но при таком токе резистор R1 должен быть способен рассеять 1.5 * 1.5 * 0.8 = 1.8 Вт тепла. Микросхема LM317 также будет сильно греться и без радиатора не обойтись. Драйвер также линейный, поэтому для того, чтобы КПД был максимальным, разница V IN и V LED должна быть как можно меньше. Поскольку схема очень простая, она также может быть собрана навесным монтажом.
На той же макетной плате была собрана схема с двумя одноваттными резисторами сопротивленим 2.2 Ом. Сила тока получилась меньше расчетной, поскольку контакты в макетке не идеальны и добавляют сопротивления.
Следующий драйвер является импульсным понижающим. Собран он на микросхеме QX5241 .
Схема также проста, но состоит из чуть большего количества деталей и здесь уже без изготовления печатной платы не обойтись. Кроме того сама микросхема QX5241 выполнена в достаточно мелком корпусе SOT23-6 и требует внимания при пайке.
Входное напряжение не должно превышать 36В, максимальный ток стабилизации – 3А. Входной конденсатор С1 может быть любым – электролитическим, керамическим или танталовым. Его емкость – до 100мкФ, максимальное рабочее напряжение – не менее чем в 2 раза больше, чем входное. Конденсатор С2 керамический. Конденсатор С3 – керамический, емкость 10мкФ, напряжение – не менее чем в 2 раза больше, чем входное. Резистор R1 должен иметь мощность не менее чем 1Вт. Его сопротивление рассчитывается по формуле R1 = 0.2 / I, где I – требуемый ток драйвера. Резистор R2 - любой сопротивлением 20-100кОм. Диод Шоттки D1 должен с запасом выдерживать обратное напряжение – не менее чем в 2 раза по значению больше входного. И рассчитан должен быть на ток не менее требуемого тока драйвера. Один из важнейших элементов схемы – полевой транзистор Q1. Это должен быть N-канальный полевик с минимально возможным сопротивлением в открытом состоянии, безусловно, он должен с запасом выдерживать входное напряжение и нужную силу тока. Хороший вариант – полевые транзисторы SI4178, IRF7201 и др. Дроссель L1 должен иметь индуктивность 20-40мкГн и максимальный рабочий ток не менее требуемого тока драйвера.
Количество деталей этого драйвера совсем небольшое, все они имеют компактный размер. В итоге может получиться достаточно миниатюрный и, вместе с тем, мощный драйвер. Это импульсный драйвер, его КПД существенно выше, чем у линейных драйверов. Тем не менее, рекомендуется подбирать входное напряжение всего на 2-3В больше, чем падение напряжения на светодиодах. Драйвер интересен еще и тем, что выход 2 (DIM) микросхемы QX5241 может быть использован для диммирования – регулирования силы тока драйвера и, соответственно, яркости свечения светодиода. Для этого на этот выход нужно подавать импульсы (ШИМ) с частотой до 20КГц. С этим сможет справиться любой подходящий микроконтроллер. В итоге может получиться драйвер с несколькими режимами работы.
(13 оценок, средняя 4.58 из 5) Недавно один знакомый попросил меня помочь с проблемой. Он занимается разработкой LED ламп, попутно ими приторговывая. У него скопилось некоторое количество ламп, работающих неправильно. Внешне это выражается так – при включении лампа вспыхивает на короткое время (менее секунды) на секунду гаснет и так повторяется бесконечно. Он дал мне на исследование три таких лампы, я проблему решил, неисправность оказалась очень интересной (прямо в стиле Эркюля Пуаро) и я хочу рассказать о пути поиска неисправности.
LED лампа выглядит вот так:
Рис 1. Внешний вид разобранной LED лампы
Разработчик применил любопытное решение – тепло от работающих светодиодов забирается тепловой трубкой и передается на классический алюминиевый радиатор. По словам автора, такое решение позволяет обеспечить правильный тепловой режим для светодиодов, минимизируя тепловую деградацию и обеспечивая максимально возможный срок службы диодов. Попутно увеличивается срок службы драйвера питания диодов, так как плата драйвера оказывается вынесенной из теплового контура и температура платы не превышает 50 градусов Цельсия.
Такое решение – разделить функциональные зоны излучения света, отвода тепла и генерации питающего тока – позволило получить высокие эксплуатационные характеристики лампы по надежности, долговечности и ремонтопригодности.
Минус таких ламп, как ни странно, прямо вытекает из ее плюсов – долговечная лампа не нужна производителям:). Историю о сговоре производителей ламп накаливания о максимальном сроке службы в 1000 часов все помнят?
Ну и не могу не отметить характерный внешний вид изделия. Мой «госконтроль» (жена) не разрешил мне ставить эти лампы в люстру, где они видны.
Вернемся к проблемам драйвера.
Вот так выглядит плата драйвера:
Рис 2. Внешний вид платы LED драйвера со стороны поверхностного монтажа
И с обратной стороны:
Рис 3. Внешний вид платы LED драйвера со стороны силовых деталей
Изучение ее под микроскопом позволило определить тип управляющей микросхемы – это MT7930. Это микросхема контроля обратноходового преобразователя (Fly Back), обвешанная разнообразными защитами, как новогодняя елка – игрушками.
В МТ7930 встроены защиты:
От превышения тока ключевого элемента
понижения напряжения питания
повышения напряжения питания
короткого замыкания в нагрузке и обрыва нагрузки.
от превышения температуры кристалла
Декларирование защиты от короткого замыкания в нагрузке для источника тока носит скорее маркетинговый характер:)
Принципиальной схемы на именно такой драйвер добыть не удалось, однако поиск в сети дал несколько очень похожих схем. Наиболее близкая приведена на рисунке:
Рис 4. LED Driver MT7930. Схема электрическая принципиальная
Анализ этой схемы и вдумчивое чтение мануала к микросхеме привело меня к выводу, что источник проблемы мигания – это срабатывание защиты после старта. Т.е. процедура начального запуска проходит (вспыхивание лампы – это оно и есть), но далее преобразователь выключается по какой-то из защит, конденсаторы питания разряжаются и цикл начинается заново.
Внимание! В схеме присутствуют опасные для жизни напряжения! Не повторять без должного понимания что вы делаете!
Для исследования сигналов осциллографом надо развязать схему от сети, чтобы не было гальванического контакта. Для этого я применил разделительный трансформатор. На балконе в запасах были найдены два трансформатора ТН36 еще советского производства, датированные 1975 годом. Ну, это вечные устройства, массивные, залитые полностью зеленым лаком. Подключил по схеме 220 – 24 – 24 -220. Т.е. сначала понизил напряжение до 24 вольт (4 вторичных обмотки по 6.3 вольта), а потом повысил. Наличие нескольких первичных обмоток с отводами дало мне возможность поиграть с разными напряжениями питания – от 110 вольт до 238 вольт. Такое решение конечно несколько избыточно, но вполне пригодно для одноразовых измерений.
Рис 5. Фото разделительного трансформатора
Из описания старта в мануале следует, что при подаче питания начинает заряжаться конденсатор С8 через резисторы R1 и R2 суммарным сопротивлением около 600 ком. Два резистора применены из требований безопасности, чтобы при пробое одного ток через эту цепь не превысил безопасного значения.
Итак, конденсатор по питанию медленно заряжается (это время порядка 300-400 мс) и когда напряжение на нем достигает уровня 18,5 вольт – запускается процедура старта преобразователя. Микросхема начинает генерировать последовательность импульсов на ключевой полевой транзистор, что приводит к возникновению напряжения на обмотке Na. Это напряжение используется двояко – для формирования импульсов обратной связи для контроля выходного тока (цепь R5 R6 C5) и для формирования напряжения рабочего питания микросхемы (цепь D2 R9). Одновременно в выходной цепи возникает ток, который и приводит к зажиганию лампы.
Почему же срабатывает защита и по какому именно параметру?
Первое предположение
Срабатывание защиты по превышению выходного напряжения?
Для проверки этого предположения я выпаял и проверил резисторы в цепи делителя (R5 10 ком и R6 39 ком). Не выпаивая их не проверить, поскольку через обмотку трансформатора они запараллелены. Элементы оказались исправны, но в какой-то момент схема заработала!
Я проверил осциллографом формы и напряжения сигналов во всех точках преобразователя и с удивлением убедился, что все они – полностью паспортные. Никаких отклонений от нормы…
Дал схеме поработать часок – все ОК.
А если дать ей остыть? После 20 минут в выключенном состоянии не работает.
Очень хорошо, видимо дело в нагреве какого-то элемента?
Но какого? И какие же параметры элемента могут уплывать?
В этой точке я сделал вывод, что на плате преобразователя имеется какой-то элемент, чувствительный к температуре. Нагрев этого элемента полностью нормализует работу схемы.
Что же это за элемент?
Второе предположение
Подозрение пало на трансформатор. Проблема мыслилась так – трансформатор из-за неточностей изготовления (скажем на пару витков недомотана обмотка) работает в области насыщения и из-за резкого падения индуктивности и резкого нарастания тока срабатывает защита по току полевого ключа. Это резистор R4 R8 R19 в цепи стока, сигнал с которого подается на вывод 8 (CS, видимо Current Sense) микросхемы и используется для цепи ОС по току и при превышении уставки в 2.4 вольта отключает генерацию для защиты полевого транзистора и трансформатора от повреждений. На исследуемой плате стоит параллельно два резистора R15 R16 с эквивалентным сопротивлением 2,3 ома.
Но насколько я знаю, параметры трансформатора при нагреве ухудшаются, т.е. поведение системы должно быть другим – включение, работа минут 5-10 и выключение. Трансформатор на плате весьма массивный и тепловая постоянная у него ну никак не менее единиц минут.
Может, конечно в нем есть короткозамкнутый виток, который исчезает при нагреве?
Перепайка трансформатора на гарантированно исправный была в тот момент невозможна (не привезли еще гарантированно рабочую плату), поэтому оставил этот вариант на потом, когда совсем версий не останется:). Плюс интуитивное ощущение – не оно. Я доверяю своей инженерной интуиции.
К этому моменту я проверил гипотезу о срабатывании защиты по току, уменьшив резистор ОС по току вдвое припайкой параллельно ему такого же – это никак не повлияло на моргание лампы.
Значит, с током полевого транзистора все нормально и превышения по току нет. Это было хорошо видно и по форме сигнала на экране осциллографа. Пик пилообразного сигнала составлял 1,8 вольта и явно не достигал значения в 2,4 вольта, при котором микросхема выключает генерацию.
К изменению нагрузки схема также оказалась нечувствительна – ни подсоединение второй головки параллельно, ни переключение прогретой головы на холодную и обратно ничего не меняло.
Третье предположение
Я исследовал напряжение питания микросхемы. При работе в штатном режиме все напряжения были абсолютно нормальными. В мигающем режиме тоже, насколько можно было судить по формам сигналов на экране осциллографа.
По прежнему, система мигала в холодном состоянии и начинала нормально работать при прогреве ножки трансформатора паяльником. Секунд 15 погреть – и все нормально заводится.
Прогрев микросхемы паяльником ничего не давал.
И очень смущало малое время нагрева… что там может за 15 секунд измениться?
В какой-то момент сел и методично, логически отсек все гарантированно работающее. Раз лампа загорается - значит цепи запуска исправны.
Раз нагревом платы удается запустить систему и она часами работает - значит и силовые системы исправны.
Остывает и перестает работать - что-то зависит от температуры…
Трещина на плате в цепи обратной связи? Остывает и сжимается, контакт нарушается, нагревается, расширяется и контакт восстанавливается?
Пролазил тестером холодную плату - нет обрывов.
Что же еще может мешать переходу от режима запуска в рабочий режим?!!!
От полной безнадеги интуитивно припаял параллельно электролитическому конденсатору 10 мкф на 35 вольт по питанию микросхемы такой же.
И тут наступило счастье. Заработало!
Замена конденсатора 10 мкф на 22 мкф полностью решило проблему.
Вот он, виновник проблемы:
Рис 6. Конденсатор с неправильной емкостью
Теперь стал понятен механизм неисправности. Схема имеет две цепи питания микросхемы. Первая, запускающая, медленно заряжает конденсатор С8 при подаче 220 вольт через резистор в 600 ком. После его заряда микросхема начинает генерировать импульсы для полевика, запуская силовую часть схемы. Это приводит к генерации питания для микросхемы в рабочем режиме на отдельной обмотке, которое поступает на конденсатор через диод с резистором. Сигнал с этой обмотки также используется для стабилизации выходного тока.
Пока система не вышла в рабочий режим - микросхема питается запасенной энергией в конденсаторе. И ее не хватало чуть-чуть - буквально пары-тройки процентов.
Падения напряжения оказалось достаточно, чтобы система защиты микросхемы срабатывала по пониженному питанию и отключала все. И цикл начинался заново.
Отловить эту просадку напряжения питания осциллографом не получалось - слишком грубая оценка. Мне казалось, что все нормально.
Прогрев же платы увеличивал емкость конденсатора на недостающие проценты - и энергии уже хватало на нормальный запуск.
Понятно, почему только некоторая часть драйверов отказала при полностью исправных элементах. Сыграло роль причудливое сочетание следующих факторов:
Малая емкость конденсатора по питанию. Положительную роль сыграл допуск на емкость электролитических конденсаторов (-20% +80%), т.е. емкости номиналом 10 мкф в 80% случаев имеют реальную емкость около 18 мкф. Со временем емкость уменьшается из-за высыхания электролита.
Положительная температурная зависимость емкости электролитических конденсаторов от температуры. Повышенная температура на месте выходного контроля - достаточно буквально пары-тройки градусов и емкости хватает для нормального запуска. Если предположить, что на месте выходного контроля было не 20 градусов, а 25-27, то этого оказалось достаточно для практически 100% прохождения выходного контроля.
Производитель драйверов сэкономил конечно, применив емкости меньшего номинала по сравнению с референс дизайн из мануала (там указано 22 мкф) но свежие емкости при повышенной температуре и с учетом разброса +80% позволили партию драйверов сдать заказчику. Заказчик получил вроде бы работающие драйверы, которые со временем стали отказывать по непонятной причине. Интересно было бы узнать – инженеры производителя учли особенности поведения электролитических конденсаторов при повышении температуры и естественный разброс или это получилось случайно?
